文 献 综 述

自1912年由英国冶金专家亨利布雷利发明不锈钢至今，不锈钢的型号已达到一百多种。按照其微观组织结构，不锈钢可分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢以及铁素体#8212;奥氏体双相不锈钢，不同类型的不锈钢具有不同的结构和性能。

在这些不锈钢中，含17-25%铬和8-25%镍的奥氏体不锈钢的使用范围最广，由于含有合金元素，特别是Ni的存在，使得相变温度极大地降低，从而使得奥氏体组织在常温条件下，也能稳定地存在，故奥氏体不锈钢即为常温组织为奥氏体结构的钢。正因为奥氏体不锈钢在常温下的组织为奥氏体结构，这使得该类钢具有无磁性，优良的延展性、成形性、韧性和耐腐蚀性等性能。因此，奥氏体不锈钢常被加工成各种形状和尺寸的设备、管道及其附件等，在化工、石油、海洋、食品、轻工等多种领域内广泛应用^[1]。

在石油化工行业中，乙烯是重要的基础原料，用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇等单体，进一步聚合反应形成工业和民用行业中的合成纤维、合成橡胶、合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯）、合成乙醇（酒精）等。由于乙烯在常温常压下为气体，为了方便储存和运输，乙烯常常进行液化处理，以便更有效地进行储运。由于乙烯液化的温度在零下169.4℃，从广泛意义上说，这个零下100℃以下的温度就属于深冷温度（cryogenic temperature），在这样低的温度条件下，用于处理液态乙烯的金属材料要求在满足强度的条件下，还应具有良好的耐低温冷脆性。其中，奥氏体不锈钢由于在深冷低温条件下仍然具有良好的力学性能，因而，常用于制造低温设备和管道以及附件等^[2]。

但是，在深冷温度条件下，用于处理液态乙烯的设备和管道以及附件，也会发生开裂失效等，这实际上可能与其成型加工以及焊接过程中在材料中残存的加工和焊接残余应力以及残余应力诱发的马氏体和低温深冷条件有关。

大量的文献资料表明，变形和冷却是引起奥氏体转变成马氏体的两种主要方式。冷成型是不锈钢设备和管道及其附件常见的制造工业，如石化企业中常用的各种不锈钢封头，就是通过冷加工的方式成型的。当不锈钢封头成型后，未进行消除残余应力的热处理或固溶处理或热处理不彻底，往往会在材料中存在加工或/和残余应力以及可能的硬而脆的形变马氏体，若其服役的环境中存在对不锈钢敏感的腐蚀介质，特别是卤族元素，典型如Cl时，奥氏体不锈钢封头就容易发生应力腐蚀开裂或者由于单纯的脆硬组织所引发的开裂。

在深冷条件下，对于奥氏体不锈钢封头发生的开裂，往往与材料中含有的形变马氏体有关。马氏体相变会引起材料的物理化学性质发生变化，对于深冷条件下服役的封头而言，材料中存在的脆硬组织，会对设备的安全性和可靠性造成的危险是非常巨大的。

根据奥氏体不锈钢中组织的稳定性，一般分为稳态型奥氏体不锈钢和亚稳态奥氏体不锈钢。在塑性变形过程中，只发生滑移变形而不发生相变或者结构变化的奥氏体不锈钢称为稳态奥氏体不锈钢，反之，则称为亚稳态奥氏体不锈钢，304不锈钢就属于典型的亚稳态奥氏体钢。对于亚稳态奥氏体不锈钢，冷成型时，部分奥氏体不锈钢会发生马氏体转变，与原奥氏体保持共格，以切变方式在极短时间内发生无扩散相变，即形变诱导马氏体相变^{[3]- [5]}。形变诱导马氏体相转变量的多少主要与材料的化学成分以及变形量等因素有关。变相量越大，转变量越大。若将冷旋压成型后的封头进行长时间充分的固溶处理，马氏体可转变为奥氏体，材料由磁性转变为非磁性，塑韧性得到较大程度的提高^{[6]- [7]}。但是，在实际使用过程中，由于经济的原因或技术的原因，往往存在大量封头塑性成形以及与筒体连接后，未进行任何热处理，就投入使用，在使用较短时间后，就发生开裂。

在石油化工行业中，焊接是封头与筒体最主要的连接方式，但是，由于焊接是一个快速加热和冷却的过程，容易在材料中产生残余应力，导致奥氏体不锈钢封头开裂，特别是对于碳含量较高的奥氏体不锈钢，如石化行业中国常用的304奥氏体不锈钢，还会发生晶间型开裂，这是因为碳在奥氏体内的溶解是有限的，在室温情况下，奥氏体只能溶解0.02%的碳，如果钢中含有大量的碳，奥氏体不锈钢在450-850℃下，过剩的碳以碳化铬形式从固溶体析出，碳化铬沿奥氏体的晶界上析出，由于铬在奥氏体中的扩散速度小于碳的扩散速度，结果奥氏体晶粒边界部分的铬含量降低，因而促使金属丧失抗蚀性，晶粒与晶粒之间的结合力大大降低或丧失，从表面上看来没有痕迹，但在受到应力时即会沿晶界断裂，强度几乎完全丧失^[8]-[11]。

对于在深冷温度条件下，奥氏体不锈钢也容易转变成马氏体。如在液化乙烯环境下，乙烯的液化温度是零下169.4℃，在这个温度下奥氏体也有转变成马氏体的可能（如化学成分和组织结构的变化以及应力的存在等可能导致相变点温度升高等）。过冷奥氏体在Ms温度下任一温度，不需孕育立即开始马氏体相变，而且持续保持深冷温度，奥氏体会持续转变成马氏体。随着现代化工的快速发展，化工设备体积越来越大，需要服役的时间越来越长，而奥氏体不锈钢在深冷条件下工作的时间越长，安全系数越低，越容易发生奥氏体不锈钢材料在深冷条件下因为硬度的增加，而出现韧性降低的现象，甚至是开裂所导致的失效事故的发生^{[12]- [15]}。